1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化电子听诊器（信号采集）一、选题的背景与意义随着医学的发展与进步，检测技术越来越重要，可以说医学的发展离不开科技，科技的进步带动医学发展。在传统的心音检测技术中，通过物理传导器（传统听诊器）传导心脏跳动的声音，医生通过听到的声音信号与自己的临床经验对比，发现患者的症状所在。这种听诊器对噪声的要求很严格，噪声太大是听不出来的，而且听到声音后，需要的是医生的经验判断，这对外界环境影响和医生本身的要求就很高，误诊较多。普通的电子听诊器是对声音信号进行采集，然后对信号进行模拟处理放大有用的声音，滤除杂音。这是对传统听诊器的极大改进，允许的噪声也较大，但是仍然离不开医生的
2、经验判断，误诊还会有。“耳听为虚，眼见为实”，现在最前沿的电子听诊器直接把声音信号采集处理并显示出来，还可以将采集的数据与数据库数据进行比较，如果数据库中数据越完善，误诊越少，还可以与传统方法听声音进行对比。这样就会大大减少误诊情况的发生，减少了医生的工作量，也降低了对医生经验的要求，即资深医生可以做更多的事情，而将诊断交给实习医生甚至护理人员。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1、基本内容本课题主要研究利用震动传感器把人体器官的震动信号采集为电信号，并经过放大和滤波处理，带有自动增益控制电路。输出最大振幅为1VPP的不失真电信号，提供给电子听诊器信号处理电路进行处理。基本要求是频率响应05
3、100HZ，输出最大振幅为1VPP，能够测量到人的心跳、脉搏、肺呼吸震动信号。2本课题研究的是电子听诊器模拟信号采集、处理与输入，结构图1声源是夹杂了杂波的心音，声音传感器输出的是采集的声音信号转换成的电信号，所以这个电信号是夹杂了杂波的信号。本课题要研究的是通过一系列的信号处理，把我们想要的声音信号从这个夹杂杂波的波形中分离出来，而且这个信号需要MCU可处理。从声音传感器出来的电信号峰峰值只有几个毫伏，给信号观察和处理带来不便，因此需要将信号先放大，放大信号是将峰峰值放大了的声音信号，我们需要的信号只是其中的一个频段内的信号，因此要将我们不需要的信号滤除掉，就需要滤波电路。同时我们要将信号峰
4、峰值限制在1V内，就需要有AGC环节。这样，我们就得到我们需要的模拟信号，通过AD转换输入MCU中进行数据处理即可。2、拟解决问题1滤波信号，使通带在05HZ100HZ范围内。2AGC环节，使输出信号保持在峰峰值1V内。3考虑到听诊器的便携性，有源元器件都要用到单电源供电。三、研究的方法与技术路线1声电转换声电转换需要一个传感器，将声音信号转换为电信号，常见的是话筒。常用的话筒有动圈式话筒和电容话筒。动圈式话筒性能稳定，结构牢固，价格较低；频率特性良好，5015000HZ频率范围内幅频特性曲线平坦；使用简便，噪声小。电容话筒频率特性好，音频范围内幅频特性曲线平坦；灵敏度高，噪声小；失真小，瞬态
5、响应性能好；但是工作特性不够稳定，低频段灵敏度随着使用时间的增加而下降，同时寿命比较短。我们需要的频率范围是05HZ100HZ，动圈式话筒明显达不到要求，所以我们采用电容话筒，常用的有驻极体电容。工作原理如图2声音传感器前级放大滤波AGC电源MCU声源图1结构框图3图2驻极体话筒工作原理左图为源极输出方式，右图为漏极输出方式，漏极输出输出信号大，灵敏度高，因此选用漏极输出方式。2前级放大话筒输出的电压信号很小，只有几个毫伏，因此需要对其进行放大，利用集成运放，集成运放是有源元件，因此需要加电压，考虑到电子听诊器便携性，电源用电池最方便，用单电源供电，电路图如图3图3单电源运放单电源运放需要考虑
6、到设置静态工作点的问题，图中用R1和R2分压来提供静态工作点212RRVCCRU（1）放大倍数由R6和R7来决定467NORRUU（2）3滤波想要得到我们需要的频段就需要对放大后的波形进行滤波，考虑到滤波效果采用二阶滤波，图4为简单二阶滤波。图4简单二阶滤波电路传递函数）（）（）（）（）（）（）（SUSUSUSUSUSUSAIMIPIPU（3）21CC（4）RC21F0（5）020UFF3JFF11A（6）令分母模等于20PF370F（7）这样会使PF远离0F。为了使PF接近0F，可以使F0F附近的电压放大倍数滤波特性趋于理想。可以在电路中引入正反馈。电路如图55图5压控电压源二阶低通滤波电路
7、令21CC利用1C和2C与输入回路相接的点的电流方程可以得出以下传输方程020UFF2JFF11A（8）当F0F时放大倍数增加了，如果想要更大，通带放大倍数可以增加。5AGC电压限制在1PPV内，就需要AGC环节。AGC可以通过负反馈来实现。如图图6AGC环节输出信号通过FR反馈回输入端，当输入信号增大时，输出随机增大，而将输出端电压反馈回输入端，使输入信号减小，输出减小，只要参数调整合理，RFVCCRCBCE6输出会限定在一定电压范围内。研究的总体安排与进度2010年12月2011年1月完成文献翻译和掌握相应理论知识；2011年3月完成硬件部分设计及调试工作；2011年4月整理资料完成毕业论
8、文；2011年5月参加毕业设计答辩主要参考文献1华成英、童诗白模拟电子技术基础（第四版）高等教育出版社2王昊、李昕集成运放应用电路设计360例电子工业出版社3毛学军液晶模块应用电子工业出版社4郭强液晶显示模块应用与调试电子工业出版社5康华光电子技术基础模拟部分（第五版）高等教育出版社6王永龙基于自动增益控制的声信号处理电路J仪表技术与传感器7袁孝康自动增益控制与对数放大器国防工业出版社8德州仪器应用报告有源滤波器设计文献编号SLOA0499德州仪器应用报告对SALLYKEY滤波器的分析文献编号SLOA02410王毓银数字电路逻辑设计（第二版）高等教育出版社11RONMANCINI（ED）OPA
9、MPSFOREVERYONE文献编号SLOD00612ASINGLESUPPLYOPAMPCIRCUITCOLLECTION文献编号SLOA0587毕业设计文献综述电气工程与自动化电子听诊器信号采集技术2、听诊器的历史及意义听诊器由一个圆圆的金属探头、一根橡皮管子和两个金属耳塞构成。听诊器是医生的诊断病症的设备，自从它诞生开始，听诊器就一直维持它的这一形象。科技发展到今天，听诊器几经革新。可以说听诊器的发展是伴随着科技发展在不断进步革新的。距今200多年前，一个法国医生雷恩郎内克想用听病人脏器所发出的声音帮助自己作出诊断。于是他制作了圆纸筒，组装成一个能够帮助他听清人脏器声音的器具这是人类医学
10、史上的第一个听诊器。200多年过去了，听诊器在外形和功能上都没有发生决定性的改变。在人类迈入21世界的时候，美国一家公司推出了电子听诊器。传统的听诊器无法听到脏器发出的一些微弱但却非常重要的生物声，就会使医生无法及时做出正确诊断，从而延误病情。电子听诊器正是针对传统听诊器的这一缺陷而研制开发的。电子听诊器配置的放大电路，能够使脏器等发出微弱的生物声音放大几百倍，从而使医生不会错过任何有价值的生物声音，更加易于判断心肺等器官是否发生病变。从前，在杂乱的事故现场、嘈杂的救护车上以及繁忙的急救室，不可能使用传统的听诊器来进行诊断。随着电子听诊器的出现，外科医生们就没有了这些烦恼。但是只听声音是不够直
11、观的，尤其是对于经验尚浅的医生来说，只听声音是不够的，这样会有误诊情况产生。如果能够通过声音和图像并结合已有数据库的病例图谱不仅会减少误诊现象，而且会提高诊断效率。3、电子听诊器研究重点电子听诊器主要是心音信号的分析与研究表现在在以下几个方面1对S1第一心音和S2第二心音的生理病理研究2对人工心脏瓣膜的无创伤检测83对心音微弱成分第三心音和第四心音的分析研究4对心音传导机制建模；5从一个心动周期中定位提取心音成分6分析心脏杂音的频率变化规律。在传统的稳态分析方法基础上,增加非平稳信号分析方法。典型的心音时颇分析有短时傅立叶变换、自回归模型、维格纳分布、小波变换等,人们将这些方法应用于第一心音分
12、析、第二心音分析、心杂音分析,做了很多研究工作,取得了很好的成果。三、电子心音听诊器电路设计1心音探头。单正娅、赵德安在4中指出“由于心音频率较低20600HZ，在人耳可听频域范围的低频段，因此选用传声器话筒将声信号转换成电信号的换能器作为声音传感器。”驻极体电容式传声器正是其中一种。电路如下图1。图1驻极体话筒工作原理1驻极体电容式传声器。当声波传到振膜时,膜片发生相应振动,改变了电容器极板之间的距离,使电容量C发生相应的变化,其两端的电压也相应变化。由于R的阻值很大,充电电荷Q来不及变化,这样就把声能转换成了电能。2驻极体电容式传声器腔体设计。传声器是心音和呼吸音检测的关键部分之一,其性能
13、直接影响心音和呼吸音信号的提取质量。另一个影响心音和呼吸音信号提取质量的重要因素是传声器与体表的声祸合方式。当用传声器检测心音和呼吸音信号时,传声器与体表皮肤的耦合形式不同,会给测量结果带来不同程度的影响。2初级放大模块。从心音呼吸音传声器输出的是非常微弱的交流小信号,根据我们使用的驻极体电容式传声器的敏感度,心音信号的幅值为3060MV,这种大小9的信号不能满足滤波模块的要求,必须进行信号的放大处理。华成英在模拟电子技术基础（第四版）1中指出“因为制作不同形式的集成电路，只是所用的掩膜不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高个方面性能的目的。”因此，选
14、用集成运放效果会更好。这里使用的是运算放大器芯片LM324。电路如图2图2单电源运放初级放大模块电路。通过电阻、电容和5V电源传声器供电电容有两个作用作为隔直电容,使电容两端直流电压不会相互干扰,二作为耦合电容,交流小信号可以通过电容传送给后面的运算放大器,进行电压放大。3滤波模块。设计要求心音的频率范围是05100HZ,主要集中在20100HZ范围内,所以我们可构造带通波滤波器网络,截止频率分别是05HZ和100HZ,20HZ以下基本为直流信号,对心音信号影响也可以忽略,所以不专门设计高通滤波器。4二次放大模块。在滤波模块后我们又设置了二次放大模块,进行信号的再放大处理,不会把一些干扰噪声也
15、同时放大,提高信号的信噪比。在再放大模块中我们仍然使用运算放大器芯片LM324。我们在设计运放时都是采用的单电源，因为我们的电源是电池，用双电源不现实，正如BRUCECARTER在ASINGLESUPPLYOPAMPCIRCUITCOLLECTION12中指出“ONEOFTHEBIGGESTPROBLEMSFORDESIGNERSOFOPAMPCIRCUITRYARISESWHENTHECIRCUITMUSTBEOPERATEDFROMASINGLESUPPLY”从二次放大模块出来的信号可分两路一路外接处理器对信号进行数字化处10理,另一路送到功率放大模块驱动耳机。5AGC模块。为了使输入处理
16、器的信号峰峰值在1VPP，应该增加AGC环节，AGC环节的本质是将信号进行负反馈处理,参考678。三、小结电子听诊器的研究是为了辅助医生进行诊断病症，通过电子听诊器不仅可以实现快速诊断，并且可以实现远程诊断，减少误诊。只要数据库内有充足的病例数据，原理上可以立即检测出任何病症。这需要生物声信号的采集尽量准确，并把有用信号提取出来，对声音采集的要求较高。因此，要提高性能就需要在选择元器件和电路上着手。要达到便携的目的，就需要选用低功耗器件，要达到准确度高，就需要有好的滤波电路和好的算法。四、参考文献1华成英、童诗白模拟电子技术基础（第四版）高等教育出版社2王昊、李昕集成运放应用电路设计360例电
17、子工业出版社3毛学军液晶模块应用电子工业出版社4单正娅、赵德安新型可视电子听诊器的研究5康华光电子技术基础模拟部分（第五版）高等教育出版社6王永龙基于自动增益控制的声信号处理电路J仪表技术与传感器7袁孝康自动增益控制与对数放大器国防工业出版社8德州仪器应用报告有源滤波器设计文献编号SLOA0499德州仪器应用报告对SALLYKEY滤波器的分析文献编号SLOA02410王毓银数字电路逻辑设计（第二版）高等教育出版社11RONMANCINI（ED）OPAMPSFOREVERYONE文献编号SLOD00612ASINGLESUPPLYOPAMPCIRCUITCOLLECTION文献编号SLOA058
18、11本科毕业设计（20届）电子听诊器信号采集12摘要【摘要】心脏病是威胁人类生命健康的疾病之一，听诊器是对其检测的一种有效工具，但是传统听诊器存在许多不足之处，影响了疾病诊断的准确性3。本课题的研究目的是为电子听诊器处理器提供采集并处理过的心音信号，以便处理器对信号进行其他处理。信号采集涉及到心音转为电信号，对电信号进行放大滤波处理，以及自动增益。心音转为电信号采用传统听诊器连接驻极体话筒来实现，传统听诊器将震动通过管道传播，震动较为强烈，然后通过驻极体话筒将震动信号转为电信号，完成信号采集。由于信号较小，采用放大电路进行一定程度的放大，以便后续处理，然后将信号进行低通滤波，只留下小于1KHZ
19、的信号。关键在于对信号进行自动增益，使输出信号峰峰值小于1V，采用N沟道场效应管的电阻可变性，控制电压采用信号经过二极管检波然后滤波得到纹波较小的直流电压，因为纹波的不可消除性，输出信号会不可避免的有一定的失真，可以通过增大电容来减小失真。【关键词】放大；滤波；自动增益。13ABSTRACT【ABSTRACT】HEARTDISEASEISTHEDISEASETHREATENSHUMANHEALTH,THESTETHOSCOPEISONEOFEFFECTIVETOOLTOTESTHEARTDISEASE,BUTDEFICIENCYOFTRADITIONALSTETHOSCOPEMPACTTHED
20、ISEASEDIAGNOSISACCURACYTHISPURPOSEOFTOPICISTOPROVIDESIGNALOFELECTRONICSTETHOSCOPEANDTREATEDFORHEARTSOUNDSIGNALSTOOTHERTREATMENTSIGNALPROCESSORSIGNALACQUISITIONINVOLVESHEARTSOUNDSINTOELECTRICALSIGNALS,AMPLIFICATIONFILTERINGPROCESSINGOFELECTRICALSIGNALS,ANDTHEAUTOMATICGAINHEARTSOUNDSOFELECTRICALSIGNAL
21、SCONNECTWITHTRADITIONALSTETHOSCOPETOREALIZEADIODEMICROPHONE,THETRADITIONALSTETHOSCOPEWILLSHAKE,SHAKESPREADTHROUGHAPIPE,ANDTHENTHROUGHRELATIVELYINTENSEINEXTREMELYBODYMICROPHONESWILLBECONVERTEDTOELECTRICALSIGNALS,VIBRATIONSIGNALSCOMPLETESIGNALACQUISITIONDUETOTHESMALLERBYAMPLIFYINGCIRCUIT,SIGNALTOACERT
22、AINDEGREEOFUP,SOTHATTHEFOLLOWUPTREATMENT,THENWILLSIGNALLOWPASSFILTERING,LEAVINGONLYLESSTHAN100HZSIGNALTHEKEYLIESISAUTOMATICGAIN,TOMAKETHEOUTPUTSIGNALVVVALUEISLESSTHANBYN1VGULLY,THERESISTANCEOFTHEMOSFETUSINGSIGNAL,THECONTROLVOLTAGEVARIABILITYAFTERDIODEDETECTIONTHENFILTERGETRIPPLESMALLERDCVOLTAGE,BECA
23、USERIPPLECANNOTBEELIMINATE,OUTPUTSIGNALWILLINEVITABLYHAVEDISTORTION,WECANREDUCEDISTORTIONBYINCREASINGTHECAPACITANCE【KEYWORDS】AMPLIFICATIONFILTERINGAUTOMATICGAIN14目录1引言1511研究的意义1512国内外现状1713本章小结172硬件系统设计1814系统总体方案1822放大电路设计1823滤波电路设计1924自增益电路19241一级放大电路20242整流电路21滤波是一种对信号进行处理的重要概念。21243二级放大2325元器件选择2
24、3251集成运放选择23252场效应管的选择23253其它元件选择2326元件介绍24261集成运放24262电容25263结型场效应管273检测与调试2931测试与调试内容29311放大电路放大调试29312滤波电路调试29313自增益电路调试30314电位抬升电路30315综合调试304问题分析与解决方案3141遇到的问题和解决方案31411问题131412问题231413问题332414问题43342总结33参考文献34致谢错误未定义书签。154、引言41研究的意义传统听诊器采用听诊器的原理固体传声。听诊器前端是一个面积较大的膜腔，体内声波鼓动膜腔后，听诊器内的密闭气体随之震动，而塞入耳
25、朵的一端，由于腔道细窄，气体震动幅度就比前端大很多，由此放大了患者体内的声波震动。人对声音的感受标准还有一个是音量，和波长有关，正常人听觉的强度范围为0DB140DB。换句话说音频范围内声音太响太弱都听不到，音量范围内音频太小（低频波）或太大（高频波）也听不到。传统的听诊器无法捕捉到脏器发出的一些微弱却非常重要的生物声，电子听诊器配置的放大芯片能够把脏器等发出的微弱的生物声放大达到能够听到的地步。心音是反映心脏生理及病理的一项重要指标,听诊是临床上广泛应用的一种诊断方法,对心音的听诊是诊断心脑血管疾病和呼吸系统疾病的主要手段之一。传统听诊器难以捕捉一些微弱的生理声信号且诊断结果容易受听诊者主观
26、经验的影响,因而准确性较差但是眼见为实，耳听为虚。耳朵可能由于其他声音干扰，产生误判现象，但是如果医生能够看到信号，那无疑就会减小误判。目前也有许多电子听诊利用这一点，提出一种可将声音信号放大并经示波器可以观察心音信号的电子心音听诊器,提高听诊的准确性。但是这样还是需要时间来根据信号判断病症，而如果将采集到的信号通过对比数据库内的病例信号，就可以快速判断，同时节约医生的时间，可以做其他的有用的事情，对于医生来说，时间就是生命。多一点时间就可以多挽救很多人的生命。听诊器能够听出许多反应疾病的生物音，正是这些微弱的信号才能给出医生准确的意见，医生根据听诊器给出的“意见”判断病症，继而对症下药。传统
27、听诊器自从它诞生的那天起挽救了无数人的生命，可以说治病是一场战争，那听诊器就是医生的“攻伐神器”。然而，不得不说，传统听诊器已经不能满足现代医学的发展，新式听诊器的诞生是历史和科技发展的必然产物，能够听到更清洗的生物音就预示着能够更准确快速找出病症所在。现在有些地方已经很少用听诊器了，取而代之的是一些现代高科技仪器。听诊器虽然古老，但是它的一些功能是无法被其它东西代替的，正是靠它，医生才能不断地积累丰富的临床经验，同时利用它给患者的病情作出诊断4。有些病依靠现代仪器是很难被发现的。比如经验丰富的医生用听诊器就能听出患者肺部的非对称性小水泡音，靠此诊断出早期肺炎的症状。但是，如果只靠做CT和胸部
28、透视检查，16早期肺炎是很难被发现的。另外，哮喘病也是很难被仪器检查出来的病症，而有经验的医生依靠听诊器就能作出准确诊断。但是，用听诊器诊断病情需要一定的经验积累，比如诊断早期肺炎患者时，医生需要有三年以上临床经验才能依靠听诊器作出诊断，而使用现代仪器则对医生的临床经验要求不高。但是总体来说，现在听诊器用得已经很少了，这和现代医学技术的发展是分不开的。现在的医学仪器性能好、操作方便，有些仪器对医生的经验要求很低或基本无需临床经验，因此，一些医生就渐渐地不再使用听诊器，转而靠其他现代仪器来判断病情。这导致了一些年轻医生越来越依赖现代仪器的现象。除了医学技术发展的因素以外，这和现在医疗行业的大环境
29、也有关系。由于各种原因，医院生存环境恶劣，许多医院出现了以“械”养医、以药养医的局面，这些都是听诊器这样“古老”、低成本的医疗器械不被医生重视的原因3。如果医生能用好听诊器，最明显的一个好处就是能节省患者的花费，这一点对于一些基层群众而言尤为重要。用小成本就能看好的病为什么还要花大价钱呢一些患者经济条件差，看个小病动不动就要上百元的检查费用，这对他们来说可是一个不小的负担。如果医生能根据病史和疾病特征，加上听诊器检查就可以诊断病情，就不必让患者做各种昂贵的检查了。有些患者认为听诊器过时了，觉得只要用好仪器检查就没有错，其实这样的想法也是错误的。听诊器和现代仪器不能互相替代，同时，听诊器的熟练使
30、用和现代仪器检查相辅相成，能给医生提供更准确的信息。研究表明，从上世纪50年代到90年代，随着医疗设备的发展，医生赖以诊断疾病的仪器越来越多，可是，临床医生的误诊率一直很高。首先，临床表现和实验室检查结果缺一不可。临床表现指患者的主观症状及被检查出的客观体征；实验室检查结果是指用现代仪器检查患者的生物化学、病理生理和病理解剖所得出的结果。医生们过度相信和依赖仪器检查，从而忽视了病人的基本症状和体征，这反而是不科学的。症状、体征和实验室检查结果反映的是疾病在发生和发展过程中某一具体时间横断面的情况，分别反映的是整个病程的某一个“点”。病史是反映疾病发生、发展和康复的动态演变过程，反映的是由疾病的
31、许多点组成的线与面。其次，当患者由于心理疾病而引起躯体上的症状时，误诊率高。许多心理疾病患者会在躯体上出现一系列的症状，甚至可以引起躯体的病理变化，当他们以躯体症状到综合医院看17病时，需要靠医生仔细地询问病史，医生可以得出明确的诊断结论，这依靠仪器是检查不出来的。如果医生缺乏心理疾病方面的相关知识，不注意询问患者的病史，许多表面上是身体疾病单实际上是心理疾病的患者就会被误诊或误治。虽然现在电子听诊器正在不断崛起，各种各样的听诊器都在不断完善发展，但是传统听诊器还是有其举足轻重的地位。42国内外现状听诊是临场上有用的看诊方式，例如听心音可以诊断心律不齐等疾病，听肺呼吸可以诊断肺部疾病。科技发展
32、到今天，国内外已经存在可视化的电子听诊器，可以说医学的发展离不开科技。起初电子听诊器只是将听诊器的信号进行简单处理后经过功放输出声音，对传统听诊器性能有了很大的提高，但是还是有赖于听来判断，判断方式单一。后来听诊器发展到可以看的地步，通过控制器来对信号进行AD转换，然后通过显示器进行信号显示。这种听到看的发展是一种变革。不仅大大增加了诊断准确度，而且大大缩短了诊断时间。但是这种图无法显示心脏杂音性质和杂音频率。如果能够从信号中分离出有用心音和杂音，那么将会更大的提高诊断效率和准确度。采用傅里叶变换可以将信号的频谱分析出来再加以显示，这样就可以脱离听的局限。完全将听诊器变为看诊器。43本章小结本
33、章首先介绍了电子听诊器的研究背景和意义。讲述了传统听诊器在临床实践中的重大意义，说明了课题的研究价值及意义，同时也说明了听诊器是不会落伍的，它不会被越来越多的高科技所代替。分析了国内外电子听诊器的发展现状以及对新型电子听诊器的功能预测。随着电子听诊器的发展，带动医诊技术的提高，促进医学发展，科技发展与医学发展紧密结合。但传统听诊器不会退出历史舞台，因为它经历了历史的考验，它是成功的。182硬件系统设计44系统总体方案对心音信号进行采集，因为脏器震动引发声音，最本质还是震动，所以采用驻极体话筒采集震动信号，并采用传统听诊器的探头对震动进行初步放大。信号采集完成后是比较微弱的电信号并伴有其它杂音，
34、因此我们需要对信号进行放大和滤波处理5。然后，为了符合峰峰值不超过1V的要求，需要进行增益自动控制。由于最终信号需要采集到单片机进行处理，所以，应该对信号进行电位抬高以便单片机AD转换10。22放大电路设计由集成运放构成的放大电路称为比例放大电路，因为输出信号是与输入信号成比例的。为了实现输出电压与输入电压的比例放大关系，运算放大电路中的集成运放应当工作在线性区，因而电路必须引入负反馈。为了稳定输出电压，均引入电压负反馈1。由此可见，运算电路是从集成运放的输出端到其反相输入端存在着反馈通路。由于集成运放具有优秀的指标参数，不管引入电压串联负反馈还是引入电压并联负反馈，都是深度负反馈。因此电路是
35、用反馈和输入实现数学运算的。当然，也包括了比例放大运算。虚短和虚断是分析运算放大电路的基本出发点。通常，在分析运算放大电路时候，将集成运放假设为理想运放，因而两个输入端净输入电压和净输入电流为零。在运算电路中，输入电压和输出电压都是相对于“地”而言的。在求运算关系时，我们多采用节点电流法，对于多输入电路，我们还可以采用叠加定律。11图1放大为正相放大，电路引入了电压串联负反馈，可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压是零，19UUUI集成运放有共模输入电压。净输入电流也是零，从而3R2RII，即公式I23OVRR1V）（，本次实验采用3倍放大，
36、输入信号和输出信号为同相关系。这一级放大主要是将采集到的小信号进行放大，方便后续的滤波处理。根据公式如果信号放大倍数不够，可以讲R3增大或将R2减小。23滤波电路设计图2为压控电压源二阶低通滤波电路相对于普通的二阶滤波电路而言，电路中既引入了正反馈，也引入了负反馈。当信号频率很小时，C1容抗趋于无穷大，正反馈弱；当信号频率大师，C2容抗很小，U趋于零。当参数合理时，既能在FF0时电压放大倍数增大，又不会因为正反馈过强而产生自激震荡。通过“虚短”和“虚断”分析，可以得出传递函数2UPUA31SASASRCSRCSUP）（）（SJWRC21F0，则电压放大倍数0UP20UPUFFA3JFF1AA）
37、（）（只要参数选择合理，在FF0以后，信号迅速衰减。24自增益电路自增益电路是使放大电路的增益自动地随输入信号强度而调整的自动控制电路。用来实现这种功能的电路称为AGC环6。AGC环是闭环负反馈系统，可以分成放大电路和控制电压形成电路两部分。放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压是输出信号通过AGC检波器和低通平滑滤波器后形成的6。放大电路的输出信号经检波和低通滤波器滤除低频分量和噪声后，产生用来控制放大器增益的电压。当输入信号增大时，输出信号和放大器增益控制电压亦随之增大。放大器增益控制电压的增大使放大电路的增益下20降，从而使输出信号显著减小，达到自动增益控制的目的。放
38、大电路控制增益的方法有在各级放大器间插入电控衰减器。改变晶体管的直流工作状态，以改变晶体管的电流放大系数。用可变电阻作放大器负载等7。AGC有两种控制方式一种是利用减小AGC电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC，一种是利用增加AGC电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC。他们的区别在于正向AGC控制能力强，控制范围大；反向AGC控制范围也小。在本设计中，自增益控制电路用于控制放大器的输出范围，采用方法。利用场效应管门控电压来控制源漏两端的电阻。整体电路图如图3，本电路采用两级放大，第一级放大由集成运放和结型场效应管组成，输出端通过检波和低通滤波电路来达到整流目的。整流后的信号经过放大器用来控
39、制场效应管的电阻。241一级放大电路U1ALM324AD321141U2BLM324AD321141R110K1R210KQ12N4117A3R3100K5R710K_LINKEYA60VCC5VVCCVEE5VVEEC2100NFR633K106R410K7R5100KD11N4148C1470NF240图3整体电路图21图4放大为正相放大，电路引入了电压串联负反馈可以认为输入电阻为无穷大，公式IDS2OVRR1V，其中R2阻值是不变的，RDS阻值是可变的，放大器的放大倍数取决于RDS的大小，RDS是场效应管源极和漏极之间的电阻，受到栅极和源极两端电压的控制，从而达到增益自动控制的目的。24
40、2整流电路滤波是一种对信号进行处理的重要概念。经典滤波概念，是根据傅里叶分析和变换提出的概念。根据高等数学理论，任何一个信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是任何信号都是由不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做滤波电路2。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两类。若滤波电路元件仅由无源元件组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件组成，则称为有源滤波电路。有源滤波的U1ALM324AD32
41、1141R110KR210KQ12N4117AVCC5VVEE5V2103VCCVEE图4一级放大22主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。无源滤波电路结构简单，易于设计，通带放大倍数及其截止频率随负载而变化，不适用于信号处理要求高的场合。无源滤波电路通常用在功率电路中，比如直流电源整流后的滤波，滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。但电路的组成和设计
42、也较复杂。有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理。根据滤波器的特点可知，它的幅频特性可以准确地描述该电路属于低通、高通、带通还是带阻滤波器，因而如果能定性分析出通带和阻带在哪一个频段，就可以确定滤波器的类型。识别滤波器的方法是若信号频率趋于零时对电压有放大作用，且信号频率趋于无穷大时电压放大倍数趋于零，是低通滤波器；反之，若信号频率趋于无穷大时对电压有放大作用，且信号频率趋于零时电压放大倍数趋于零，则为高通滤波器；若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数均趋于零，则为带通滤波器；反之，若信号频率趋于零和无穷大时都对电压有一定的放大作用，且在某一频率范围内电压放大倍数趋于零，则为
43、带阻滤波器9。图5电路采用半波整流电路然后通过一个集成运放，因此是有源滤波。二极管具有单向导通性，在信号负半轴输入，然后经过型整流电路，输出较为平滑的直流电压，然后通过运放放大信号用来控制场效应管的栅源极电压，达到控制电阻的目的。图5中C1不宜过大，如果太大，充电时间会很长，灵敏性降低；如果太小，滤波效果不好。需要在实践中不断调C2100NFR633KR5100KD11N4148C1470NF210图5整流电路23整。同样，增加R5阻值也会提高滤波效果，但是太大会将直流完全分压掉，控制信号会很小，不利于实验。243二级放大滤波后的直流电压经过放大器进行放大用来控制场效应管的栅源极电压，从而控制
44、漏源极电阻，图6的放大倍数采用100。从上面的有源滤波介绍可以得知，二级放大和上面的滤波电路连起来构成了有源滤波电路。25元器件选择251集成运放选择本实验需要的运放较多，所以采用LM324四运放，同时LM324具有短路保护输出、工作电压范围宽和功耗低、价格低等优点。252场效应管的选择场效应警惕管能够实现比较高效的自增益控制，是利用场效应晶体管传输特性曲线可变电阻区的斜率来进行电阻控制。场效应管比双极晶体管控制范围要广。本实验采用N沟道场效应管3DJ6夹断电压UP25V。截止电压VGSOFF4V。饱和电流IDSS25MA。经过计算RDSUGS/ID0735K34K。253其它元件选择U2BL
45、M324AD321141R3100KR410K2103图6二级放大24滤波电路中采用47UF的电容，滤波效果比较好，在芯片电源处还需要10UF电解电容和01UF电容并联来进行去耦。26元件介绍在本设计中会用到许多元器件，元器件可以使电路的电器功能得以实现，通过元器件电路的电压或电流会有一定的改变，不同的元器件对于电压和电流的影响和改变都是不同的。通过这些元器件来实现不同的功能，搭配起来实现我们所需要的功能。261集成运放集成运算放大器，简称集成运放，具有高放大倍数的集成电路。与分立元件组成的放大电路相比，具有质量轻、体积小、工作可靠、功耗低、价格便宜而又安装方便等特点。它的内部是直接耦合的多级
46、放大器，集成运放电路可分为输入级、中间级、输出级三部分。如图7所示，输入级又称前置级，它是一个双输入的高性能差分放大电路。要求输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号能力强，采用差分放大电路能消除零点漂移和抑制干扰；中间级是整个放大电路的主要放大器，使集成运放具有较强的放大能力，一般采用共射放大电路，为了获得足够高的电压增益，一般采用复合管作放大电路，用恒流源作集电极负载，这样放大倍数在千倍以上；输出级需要输出电压线性范围宽、输出电阻小、非线性失真小。输出级一般采用互补对称功放电路，其输出电阻小，负载能力强1。集成运放有两个输入端同相输入端和反相输入端，所谓的“同相”和“反相”是指的集成运放输
47、入电压与输出电压之间的相位关系，符号如图8所示25从图中的外部很容易看出，集成运放是双端输入、单端输出并且具有高的差模放大倍数、低的输出阻抗、高的输入阻抗并且能够较好的抑制温飘的差分放大电路。1集成运放的输出电压与输入电压UNUP之间的关系曲线称作电压传输特性曲线，对于正和负两路电源供电的集成运放，电压传输特性如图9我们可以从电压传输特性线上看出集成运放有线性放大区和饱和区两个部分。在线性区，曲线的斜率是电压放大倍数，而在非线性区，输出电压只有两种可能，不会随输入变化而发生改变。由于集成运放放大的是差模信号，且没有引入反馈，因此称其为差模开环放大倍数，记作AOD，因此当集成运放工作在线性区时，
48、UOAOD（UPUN）通常AOD很高，可以达到几十万倍，因而集成运放电压传输特性中的线性区域非常窄。集成运放广泛应用于模拟信号的处理和产生电路之中，因其高性能低价，在很多情况下取代了分立元件放大电路。262电容26电容是表征电容器容纳电荷本领的物理量。电容的用途广，是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于滤波、信号耦合、隔直流、谐振等电路中。在电子线路中，电容用来通交流而隔直流，也用来充当滤波器存储和释放电荷，平滑输出脉动信号。通常在高频电路中使用小容量的电容，如收音机和振荡器中。往往是滤波和存储电荷时用大容量的电容。而且还有一个特点，一般1F以上的电容均为电解电容，而1F以下的电容多为
49、瓷片电容，也有其他的，比如涤纶电容、独石电容、小容量的云母电容等。电解电容有个铝壳，里面充满了电解质，并引出两个电极，作为正极和负极，它们的极性不能接错，而其他电容则没有极性。把电容器的两个电极分别接在电源的正、负极上，过一会儿即使把电源断开，两个引脚间仍然会有残留电压，电容器储存了电荷。电容器极板间有了电压，积蓄了电能，这个过程称为电容器的充电。充电后的电容器两端有电压。电容器储存的电荷通过回路释放的过程，称为电容器的放电。电子电路中，只有在电容器充电过程中，才有电流流过，充电过程结束后，电容器是不能通过直流电的，在电路中起着“隔直流”的作用。电路中，电容器常被用作旁路、耦合、滤波等，都是利用它通交流，隔直流的特性。交流电不仅方向往复交变，它的大小也在按规律变化。电容按照功能分为涤纶电容、聚苯乙烯电容、聚丙烯电容、云母电容、高频瓷介电容、低频瓷介电容、玻璃釉电容、铝电解电容、钽电解电容、空气介质可变电容器、薄膜介质可变电容器、薄膜介质微调电容器、陶瓷介质微调电容器、独石电容。实验室常用为以下几种聚丙烯电容，符号为CBB；电容量，1000P10；额定电压，632000V；主要特点，性能与聚苯相似但体积小，稳定性略差；应用在代替大部分聚苯或云母电容。云母
